CN110215283B - 基于磁共振成像的颅内手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁共振成像的颅内手术导航系统，包括术前规划模块，定位转换模块，三维神经影像可视化模块，三维神经影像快速分割模块和术中引导模块。本发明的手术导航系统可以将计算机辅助技术及磁共振成像技术应用于颅内手术过程中，有效帮助医生进行术前手术规划，术中手术定位及引导，辅助手术操作，进而降低手术难度并提高治疗精度和效果。

Description

基于磁共振成像的颅内手术导航系统

技术领域

本发明涉及一种手术导航系统，特别涉及一种基于磁共振成像的颅内手术导航系统。该系统适用于颅内神经外科手术的术前规划，术中定位及治疗。

背景技术

大脑主要包括左、右大脑半球，是中枢神经中最大和最复杂的结构，也是最高部位及调节机体功能的器官，是意识、精神、语言、学习、记忆和智能等高级神经活动的物质基础。对于一些特殊的脑部疾病，如帕金森病、癫痫等，实施颅内手术很有必要。由于颅内的结构过于复杂，颅内手术的高风险性较高，如由于医生的失误操作会造成患者脑损伤，因此在临床上，为了保证手术过程的安全性和有效性，一种有效的方法是应用医学成像手段来进行颅内手术规划，导航，治疗过程观察和治疗效果评估。即利用手术导航系统实时呈现手术中的相关信息。基于计算机辅助技术的手术导航系统能将病人术前或术中影像数据和术中患者的解剖结构准确对应，在手术中跟踪手术器械并对其进行实时定位，使医生对手术器械在患者体内的位置一目了然，使外科手术更加快速、精确、安全。

在各类医学影像中，磁共振成像因其图像分辨率高，软组织成像能力强，图像扫描方位可自由选择等多个优势，成为较为理想的用于手术导航系统的成像手段。而在现有技术中存在以下问题：

1.在磁共振介入治疗中，医生一般凭肉眼观察患者手术部位的磁共振图像，根据经验在患者体内移动手术器械。这种方式无法实时的观察手术过程中介入手术器械与患者体内器官，神经等生物组织的相对位置，影像手术质量，甚至对患者造成额外的创伤损坏。

2.磁共振成像的结果往往是关于患者大脑等重要器官的整体影像，而不能实时的给出当前手术器械到达位置附近的影像信息。因此无法指导医生在手术中操作手术器械完成较为精细的操作。

3.医生一般手持手术器械，对于颅内手术，任何手部的抖动或其他微小的操作失误都可能对患者造成不可挽回的脑部损伤。因此需要相应的术中器械卡具限制手术器械在患者颅内的移动，防止其触碰到周围的神经及生物组织。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种可降低手术难度，提高操作精度和手术效果的基于磁共振成像的颅内手术导航系统。具体的，本发明是这样实现的。

一种基于磁共振成像的颅内手术导航系统，其包括硬件组成部分和软件组成部分。所述硬件组成部分包括：磁共振成像设备，患者固定装置，术中定位装置，术中器械卡具，显示设备；所述软件组成部分包括：术前规划模块，定位转换模块，三维神经影像可视化模块，三维神经影像快速分割模块，术中引导模块。

本发明所述的基于磁共振成像的颅内手术导航系统，操作过程包括如下步骤：

步骤1:利用磁共振成像设备获取患者脑部核磁共振数据；

步骤2:利用术前规划模块处理步骤1中采集的核磁共振数据，选择适当的核磁共振数据处理方法绘制弥散各向异性图像、弥散包络面图像、神经纤维束重构图像等医学影像，给出患者脑内生物组织及神经纤维的整体分布，医生根据上述结果对手术进行规划；

步骤3：在术前利用患者固定装置对患者的一些身体部分进行固定，如头部，四肢等，防止因患者身体移动给术中定位带来困难和误差，开始手术；

步骤4：利用术中定位装置实时确定手术器械的准确位置，利用定位转换模块将其转换为核磁共振数据中的对应坐标，即确定当前手术器械位置对应的体元；

步骤5：在步骤4所述体元周围取大小合适的长方体(该体元位于长方体中心)，令长方体内的所有体元为种子点，从种子点出发，利用三维神经影像可视化模块重构神经纤维束，此即手术器械附近区域的神经纤维束分布，将其显示在显示设备上；

步骤6：根据步骤5中的神经纤维分布，利用三维神经影像快速分割模块对当前手术器械允许行进的区域进行快速分割，将其显示在显示设备上，利用术中引导模块规划手术器械行进的方向和距离，通过术中器械卡具限制手术器械的下一步操作；

步骤7：重复步骤4-6，直至手术结束。

本发明能根据手术器械的当前位置准确实时的绘制周围区域神经纤维束的分布图像，指导医生操作手术器械，防止触碰到周围神经组织和纤维，对患者造成颅内损伤；其中，本发明使用增强弥散张量成像技术处理核磁共振数据及实时生成局部神经纤维束图像。增强弥散张量成像是我们发明的一种基于弥散张量的神经成像方法。传统的弥散张量成像(DTI)基于“弥散椭球”假设，即用一个二阶对称张量表述体元内的弥散运动，在处理体元内出现神经纤维束交叉，分叉等情况时，会得到错误的结果；而增强弥散张量成像采用一种自选独立变量个数的高阶张量模型来描述体元内的弥散运动，并结合高阶张量分解理论求解体元内所有神经纤维束的方向。该方法事先对高阶张量的阶数没有限制，可以根据精度要求自由选择保留阶数，特别适用于重构神经复杂分布区域的神经纤维束，捕捉手术器械附近因空间尺寸过小而容易在一般成像方法中被忽略的微小神经纤维束。

附图说明：

图1是根据本发明所述的基于磁共振成像的颅内手术导航系统示意图；

图2是根据本发明所述的基于磁共振成像的颅内手术导航系统的操作流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于磁共振成像的颅内手术导航系统，其包括硬件组成部分和软件组成部分。所述硬件组成部分包括：磁共振成像设备，患者固定装置，术中定位装置，术中器械卡具，显示设备；所述软件组成部分包括：术前规划模块，定位转换模块，三维神经影像可视化模块，三维神经影像快速分割模块，术中引导模块。

磁共振成像设备用于术前采集患者大脑内的核磁共振数据。该设备利用核磁共振原理，通过对静磁场中的样品施加某种特定频率的射频脉冲，使样品中的氢质子受到激励而发生磁共振现象。停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生核磁共振信号(MR信号)。再对MR信号进行接收、空间编码和图像重建，据此绘制成物体内部的结构图像。

患者固定装置用于在术中固定患者的身体部位，如头部，颈部，躯干，四肢等。防止在手术过程中，因为患者身体的移动而对术中定位造成误差，影响手术的进行。

术中定位装置用于在手术过程中准确、实时的对手术器械进行定位。颅内手术导航系统要求手术中能够实时跟踪并显示手术工具。在本发明中，术中定位装置可以采用被动式红外光学定位仪器或其他仪器。

术中器械卡具用于在术中限制手术器械的移动方向和移动距离。医生在患者颅内进行手术，由于手部的抖动和其他原因造成的操作失误，会导致手术工具触碰到周围的神经组织和纤维，给患者的大脑造成损伤。术中器械卡具根据术中引导模块提供的信息，实时调整手术器械在颅内允许移动的方向和距离，容易触碰到周围神经组织和纤维的移动方向会被暂时锁死，从而避免在手术过程中，由于手术器械操作不当对患者大脑造成损伤。

显示设备用于实时显示当前手术器械附近神经纤维束的分布情况。在本发明中，显示设备可以采用电脑显示器或其他显示屏。

软件组成部分中的术前规划模块用于根据采集的核磁共振数据，选择合适的处理方法，如弥散张量成像，高角坐标分辨率成像，增强弥散张量成像等，在各体元内复原弥散运动包络面，计算弥散各向异性系数，确定神经纤维束的方向。再根据上述结果绘制弥散各向异性图像，弥散运动包络面图像，神经纤维束重构图像等医学影像。从而给出患者大脑内生物组织及神经纤维的整体分布，指导医生合理确定手术方案，科学规划手术过程。

定位转换模块用于在术中将患者大脑内手术器械的位置转换为核磁共振数据中的对应坐标，即确定当前手术器械的位置对应核磁共振数据中的哪些体元。首先由术中定位装置获取手术器械在患者颅内的位置坐标，再通过定位转换模块，从核磁共振数据中找到与之对应的体元。

三维神经影像可视化模块用于实时绘制手术器械附近区域的神经纤维束分布，并利用显示设备将其展示给进行手术的医生。以定位转换模块确定的体元为中心，选取周围有限范围内的体元为种子点，从这些种子点出发，利用纤维示踪成像技术或其他神经纤维重构方法绘制三维神经纤维束，并将其显示在显示设备上。

三维神经影像快速分割模块用于对当前手术器械允许行进的区域进行快速的三维分割，并将结果用显示设备展示给医生，指导其操作手术器械。三维神经影像可视化模块给出了手术器械附近区域的神经纤维束分布，在三维影像中将神经纤维束经过的区域分割出来，则剩下的区域即为当前手术器械允许行进的区域，将其显示在显示设备上。

术中引导模块用于规划手术器械行进的方向和距离，并通过术中器械卡具对手术器械的操作进行限制。三维神经影像快速分割模块给出了当前手术器械允许行进的区域，在术中引导模块中，将这一区域边界对应的方向，距离等信息提取出来并提供给术中器械卡具，从而有效限制手术器械在患者颅内的进一步操作。

如图2所示，是本发明的颅内手术导航系统的流程图，具体操作包括以下步骤：

步骤S110:在手术前，选择采样方案，利用磁共振成像设备获取患者脑部核磁共振数据，即利用核磁共振技术测量采样方向上信号的衰减强度。

步骤S120:利用术前规划模块处理步骤S110中采集的核磁共振数据。选择适当的核磁共振数据处理方法,如弥散张量成像，高角坐标分辨率成像，增强弥散张量成像等，在各体元内复原弥散运动包络面，计算弥散各向异性系数，确定神经纤维束的方向。再根据上述结果绘制弥散各向异性图像，弥散运动包络面图像，神经纤维束重构图像等医学影像。从而给出患者大脑内生物组织及神经纤维的整体分布,医生再根据上述结果对手术进行规划。

下面以增强弥散张量成像为例详细说明。

增强弥散张量成像是我们发明的一种适用于重构神经复杂分布区域神经纤维束的医学成像方法，该方法采用一种自选独立变量个数的高阶张量模型来描述体元内的弥散运动，并结合高阶张量分解理论求解体元内纤维数的方向。在本发明中，操作的具体步骤如下：

(a)根据步骤S110得到的信号衰减强度计算各个方向上的弥散系数D，

b为仪器参数，S₀为原始信号强度，S为测量强度。

(b)根据弥散系数D计算各个方向上单位时间内(1s)的弥散位移x，

(c)由(b)中有限个方向上的弥散位移重构该体元内的弥散运动包络面。对于一个三维的包络面，取其内部一点建立坐标系，则该图形可以表示为径长r和方向单位向量

之间的函数关系

即给定方向

可由

确定该方向上的径长r。而函数

可以展开成如下的形式：

其中，D₁,D₂...D_r分别为矢量(一阶张量)，二阶张量…r阶张量。上述分解的形式类似于泰勒展开(x替换为

高阶导数替换为高阶张量)。根据高阶张量分解理论中的不可约分解，任意高阶张量都可以分解为一系列不可约张量的组合，

最终可以表示为一系列不可约张量和单位向量

的缩并之和。

设弥散运动包络面为

为空间参数，则根据上述理论可做如下分解：

其中，

为三维空间中一组完备正交的展开基底。a_m为展开系数，由包络面

与给定基底

积分可得。具体的，展开基底可取为三维球谐函数，其数学表达式如下：

其中,

为三维球谐函数(P_m,r为勒让德多项式)，a_m,r,b_m,r为展开系数。此外，展开基底也可取为小波函数，脊波函数等完备正交的函数族。

通过有限个方向上的弥散位移重构弥散运动包络面的具体步骤如下：

(c1)在单位球面上划分网格，网格的节点即为测量方向。基底函数

(以三维球谐展开为例)与节点方向上的弥散位移(在(b)中得到)已知，通过插值方法及离散积分计算展开系数a_m,r,b_m,r：在每个网格内，由节点方向上的弥散位移通过线性插值得到网格中心处的弥散位移；用网格中心处的弥散位移，三角函数值和基底函数值代替整个网格上的

sinrθ,cosrθ与

由函数值乘网格面积近似计算a_m,r,b_m,r表达式中的积分在该网格上的值；遍历所有网格，将其上积分值求和，即可得到展开系数a_m,r,b_m,r。

(c2)由基底

和(c1)中算出的a_m,r,b_m,r复原弥散运动包络面

对于一般的基底函数，上式可写为：

其中，n即为展开阶数，需要综合考虑基底函数，精度要求，计算成本等因素合理选择，

(d)利用复原的弥散运动包络面计算各向异性参数。记弥散运动包络面上矢径r的最大值为maxr,最小值为minr，平均值为meanr，则各向异性参数f可定义为：f＝(maxr-minr)/meanr。注意：这里的各向异性参数也可以通过其他方式计算。

(e)计算体元内神经纤维束的方向。将参数

的取值范围

等分为若干份，得到单位球面上一系列均匀分布的点。遍历包络面，由

计算各点对应方向上的弥散位移，并比较相邻点对应方向上弥散位移的大小；若某点对应方向上的弥散位移大于其所有相邻点(对应方向上的弥散位移)，则该方向为包络面上弥散位移取极大值的方向；还可以通过直接由

对

求导数，确定极大值方向。极大值方向即为体元内神经纤维束的方向。

(f)做出各切片平面内的各向异性(参数)图像。各向异性参数如(d)中所定义，将每个切片平面内各向异性参数的取值范围线性映射至0～255(最小值对应0，最大值对应255)，输出以各向异性参数为灰度值的图像。

(g)做出各切片平面内的弥散运动包络面图像。在每个切片平面内，提取各向异性参数大于阈值A的体元。本例中，该阈值取为0.2，对一般情况，该阈值可取为0-1中的任意实数。在选取的体元内画出步骤(c)中得到的弥散运动包络面，即做出该切片平面内的弥散包络面图像。

(h)选择各向异性参数大于阈值A的体元为种子点，从种子点依次出发，利用纤维示踪成像方法(或其他重构方法)完成神经纤维的重构。沿着种子点内神经纤维束的方向行进指定长度到达下一个体元，继续上述操作。直至到达测量空间的边界；或体元内的各向异性系数小于阈值A；或连接的两个体元内神经纤维束的夹角大于阈值B。在本例中，该阈值B取为60度，对于一般情况，该阈值B的取值范围为45-90度。将这一系列体元内神经纤维束的方向在空间中连接起来，便得到了一条神经纤维束在空间中的整体走向。遍历所有的种子点，完成所有神经纤维束的重构。

至此，通过在各体元内复原弥散运动包络面，计算弥散各向异性系数，确定神经纤维束的方向。完成了绘制弥散各向异性图像，弥散运动包络面图像及神经纤维束重构图像等医学影像。

步骤S130：在手术前，利用患者固定装置对患者的一些身体部位进行固定，如头部，颈部，躯干，四肢等。防止在手术过程中，因为患者身体的移动而对术中定位造成误差，影响手术的进行。开始手术。

步骤S140：在手术中，利用术中定位装置准确实时的确定手术器械的位置，术中定位装置可以采用被动式红外光学定位仪器或其他仪器。在定位转换模块中，通过边界校准，比例尺缩放等操作将手术器械的位置(坐标)转换为核磁共振数据中的对应坐标，即从核磁共振数据中找到与之对应的体元。具体方法如下：

在术中定位坐标系中，手术区域用一个三维长方体框定，记长，宽，高分别为A，B，C。则该坐标系中手术区域8个边界点(即长方体的8个顶点)的坐标分别为(0，0，0)，(A，0，0)，(0，B，0)，(A，B，0)，(0，0，C)，(A，0，C)，(0，B，C)，(A，B，C)，记手术器械的当前空间坐标为(x，y，z)。

在核磁共振数据坐标系中，手术区域用一个三维长方体框定，记长，宽，高分别为M，N，P，其中，M，N为数据横纵方向上体元的个数，P为切片数据的层数。则该坐标系中手术区域8个边界点(即长方体的8个顶点)的坐标分别为(0，0，0)，(M，0，0)，(0，N，0)，(M，N，0)，(0，0，P)，(M，0，P)，(0，N，P)，(M，N，P)，记手术器械对应体元的坐标为(m，n，p)。

首先，进行边界校准：令术中定位坐标系和核磁共振数据坐标系中的8个边界点一一对应(实际手术中手术区域的边界点与核磁共振数据中手术区域的边界点一一对应)，即(0，0，0)对应(0，0，0)，(A，0，0)对应(M，0，0)，......，(A，B，C)对应(M，N，P)。再根据术中定位装置提供的手术器械的当前空间坐标(x，y，z)，由下式计算手术器械对应核磁共振数据中体元的坐标(m，n，p)：

其中，int(*)表示对括号内的数*进行四舍五入取整运算。

由于手术器械具有一定的空间形状和体积，在本发明的实际应用中，可在手术器械上固定一系列的信号点，这些信号点布置在手术器械的边缘位置上，其空间坐标记为(x_i，y_i，z_，i)，(i＝1，2，3，...，k，k即为信号点的个数)。则手术器械的位置可由这一系列空间坐标确定。仍利用术中定位装置获取这些坐标，再通过下式计算对应核磁共振数据中体元的坐标(m_i，n_i，p_i)：

步骤S150：在步骤S140所述体元周围取长方体，令所述体元位于长方体的中心，该长方体的大小由手术器械的尺寸，磁共振成像设备的空间分辨率(即体元的尺寸)共同决定。以保证当前手术操作过程中，手术器械完全在该长方体对应的空间范围之内移动。选取该长方体的具体操作如下：

(a)计算在核磁共振数据坐标系中，手术器械区域中心点对应的体元坐标

(b)计算在核磁共振数据坐标系中，手术器械区域的尺寸u，v，w：

(c)根据磁共振成像设备的空间分辨率(即体元的尺寸)，选择长方体的尺寸U，V，W。一般可取U＝Ku，V＝Kv，W＝Kw。其中，K为大于1的系数，以保证手术器械完全在该长方体对应的空间范围之内移动。为保险起见，取K≥2。

(d)以体元

为中心，U，V，W为长，宽，高，取长方体。

令长方体内的所有体元为种子点。从种子点出发，利用纤维示踪成像技术(如步骤S120(h)所述)或其他神经纤维重构方法绘制三维神经纤维束，即利用三维神经影像可视化模块重构神经纤维束，获取手术器械附近区域的神经纤维束分布，将重构结果显示在显示设备上。

本步骤完成了手术器械附近区域神经纤维束实时的重构，便于后续指导医生进行手术。若在步骤S120中采用增强弥散张量成像方法处理核磁共振数据，计算体元内神经纤维束的方向，则在此基础上实时绘制的局部(手术器械附近区域)神经纤维束分布图像能够更加准确细致，捕捉到手术器械附近更多的微小纤维，并且在神经纤维束交叉，分叉等复杂分布的区域得到更加准确的结果。

S160：根据步骤S150中的神经纤维分布，在三维影像中将神经纤维束经过的区域分割出来，保留剩下的区域即为当前手术器械允许行进的区域，即利用三维神经影像快速分割模块对当前手术器械允许行进的区域进行分割。将结果显示在显示设备上，指导医生操作手术器械。三维神经影像快速分割模块可以使用基于图形切割的医学影像快速三维并行分割算法或其他用于图形分割的算法。由术中引导模块将这一区域边界对应的方向，距离等信息提取出来并提供给术中器械卡具，从而实现对手术器械行进方向和距离的规划，并通过术中器械卡具有效限制手术器械在患者颅内的进一步操作。

步骤S170：重复步骤S140，S150，S160，直至手术全部结束。

作为示例，上述基于磁共振成像的手术导航系统及操作方法的各个步骤可以实施为软件、固件、硬件或其组合。在通过软件或固件实现的情况下，可以从存储介质或网络向具有专用硬件结构的计算机安装构成用于实施上述方法的软件的程序，该计算机在安装有各种程序时，能够执行各种功能等。

本发明还提出一种存储有机器可读取的指令代码的程序产品。所述指令代码由机器读取并执行时，可执行上述根据本发明实施例的神经成像方法。

相应地，用于承载上述存储有机器可读取的指令代码的程序产品的存储介质也包括在本发明的公开中。所述存储介质包括但不限于软盘、光盘、磁光盘、存储卡、存储棒等等。

在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以用相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在上述实施例和示例中，采用了数字组成的附图标记来表示各个步骤和/或单元。本领域的普通技术人员应理解，这些附图标记只是为了便于叙述和绘图，而并非表示其顺序或任何其他限定。尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于磁共振成像的颅内手术导航系统，包括：术前规划模块，定位转换模块，三维神经影像可视化模块，三维神经影像分割模块和术中引导模块，

所述术前规划模块用于处理磁共振成像设备采集的核磁共振数据；

所述定位转换模块用于将患者大脑内手术器械的位置转换为处理后的核磁共振数据中的对应坐标，以确定手术器械对应的体元；

所述三维神经影像可视化模块用于实时生成所述手术器械附近区域的神经纤维束分布图像；

所述三维神经影像分割模块用于对所述神经纤维束分布图像中所述手术器械的可行进区域进行三维分割；

所述术中引导模块用于根据所述可行进区域以规划所述手术器械行进的方向和距离，

其特征在于：所述三维神经影像可视化模块以手术器械对应的一系列体元为目标体元，以该目标体元为中心选取一定大小的长方体，令所述长方体内的所有体元为种子点，从所述种子点出发，重构神经纤维束，从而生成手术器械附近区域的神经纤维束分布图像。

2.根据权利要求1所述的颅内手术导航系统，其特征在于：所述术前规划模块用于生成弥散各向异性图像，弥散包络面图像和/或神经纤维束重构图像。

3.根据权利要求1所述的颅内手术导航系统，其特征在于：所述术前规划模块通过弥散张量成像，高角坐标分辨率成像或增强弥散张量成像方法处理核磁共振数据。

4.根据权利要求1所述的颅内手术导航系统，其特征在于：所述长方体的大小由所述手术器械的尺寸和所述磁共振设备的空间分辨率共同决定。

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